Mikrokalorimetarsko mjerenje snage izmjeničnoga signala temeljeno na samouravnotežujućem mostu

doctoral thesis

• Title (english): Microcalorimetric AC power measurement based on self-balancing bridge
• Author: Željko Martinović
• Mentor: Martin Dadić (mentor)
• Committee member: Roman Malarić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Hrvoje Hegeduš (član povjerenstva)
• Committee member: Goran Petrović (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; (Department of Electrical Engineering Fundamentals and Measurements); Zagreb
• Defense date and country: 2022-04-01, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Electrical Engineering
• Universal decimal classification (UDC): 621.3 - Electrical engineering

Abstract

Doktorski rad se bavi problemom umjeravanja prijenosnih mjernih etalona za mjerenje snage i efektivne vrijednosti izmjeničnoga signala korištenjem mikrokalorimetra. Mikrokalorimetar predstavlja instrument kojim se mjeri efikasnost umjeravanog etalona putem određivanja gubitaka snage uslijed toplinskih efekata. Prikazana izvedba mikrokalorimetra sastoji se od sljedećih elemenata: dvostrukog termostata; izolacijskog sloja u koaksijalnom vodu (optimizacija toplinskog protoka); koaksijalnog voda za prijenos signala; termoelemenata za mjerenje gubitaka snage u bolometarskom kućištu; istosmjernih komponenti potrebnih za održavanje bolometarskog elementa u ravnoteži. Određivanje korekcije gubitaka mikrokalorimetra provodi se mjerenjem gubitaka uslijed toplinskih efekata (gubici u konektorima i u kućištu bolometra). Cilj ovog rada je razvoj mikrokalorimetra za precizno mjerenje snage u frekvencijskom području od 500 MHz – 6 GHz namijenjenog za primjenu u pametnim mrežama. U prvom poglavlju (1. Uvod) je sažeto prikazana motivacija i ciljevi doktorskog rada, te je razrađen sadržaj rada. Također, navedeni su pojedini dijelovi rada koji su prethodili konačnoj realizaciji mikrokalorimetarskog mjerenja snage izmjeničnog signala temeljenoga na samouravnotežujućem mostu. U drugom poglavlju (2. Mikrokalorimetri i prijenosni etaloni) sažeto je prikazan razvoj mikrokalorimetara tijekom desetljeća s posebnim naglaskom na komponente od kojih se mikrokalorimetar sastoji. Također, dan je osvrt na najnovija istraživanja u području te put do pojave mikrokalorimetara s prekidom u vanjskom vodiču adijabatske linije. U trećem poglavlju (3. Komunikacija pametnih mreža i prikupljanje energije iz okoline) dan je uvod u komunikacije pametnih mreža gdje postoji primjena mikrokalorimetra u umjeravanju, s posebnim osvrtom na postojeće bežične komunikacijske mreže te frekvencijske raspone. U četvrtom poglavlju (4. Definicija električne snage) dana je definicija električne snage prema normi IEEE Std 1459TM - 2010. Navedena norma opisuje komponente snage te teoretske osnove mjerenja snage. vi U petom poglavlju (5. Precizno mjerenje snage i efektivne vrijednosti izmjeničnog signala) sažeto je prikazan mjerni postupak preciznog mjerenja snage korištenjem termalnih detektora snage s posebnim naglaskom na proceduru umjeravanja. Ukratko su opisani i termalni pretvornici te njihove mogućnosti za mjerenje snage na visokim frekvencijama. U šestom poglavlju (6. Mikrokalorimetarsko mjerenje snage na visokim frekvencijama) dan je opis procedure mjerenja snage na visokim frekvencijama korištenjem mikrokalorimetra. Ovo poglavlje predstavlja najvažnije poglavlje doktorskog rada jer su u njemu prikazani: simulacijski rezultati adijabatske linije, prototip razvijenog uređaja te električna i toplinska karakterizacija adijabatske linije. Također je opisan termalni detektor korišten za izradu prototipa kao i dvostruko metalno kućište termostata. Pored navedenog, dan je opis termostata, toplinska karakterizacija i temperaturna regulacija termostata te termopila. U sedmom poglavlju (7. Uravnoteženje mosnog spoja) opisan je postupak uravnoteženja mosnog spoja uz akviziciju mjernih podataka digitalnim multimetrima razlučivosti 8 ½ digita uz sinkronizaciju i upravljanje kroz LabVIEW sustav. Osmo poglavlje je zaključak.

Abstract (english)

PhD thesis addresses the calibration of power and effective AC measurement standards for the measurement of power and RMS value of AC signals. Microcalorimeter represents an instrument for effective efficiency measurements of test standard by measuring losses due to heat transfer. Design of the microcalorimeter is based on modelling: double shielded housing; isolation section (heat transfer optimization); coaxial transmission line; elements for detection of losses in bolometer housing; DC components for the realization of bridge circuit in order to hold bolometer constant resistance; A correction factor of microcalorimeter is determined by measuring heat losses and heat effects (losses in connectors, in bolometer mount). The main purpose of PhD dissertation was to develop a microcalorimeter structure for accurate power measurement in the frequency range of 500 MHz - 6 GHz intended for use in smart grids. The first chapter (1. Introduction) summarizes the motivation and goals of the doctoral thesis and elaborates the content of the of dissertation. Also, individual parts of work that preceded the final realization of microcalorimetric measurements of AC signal power based on a selfbalancing bridge are. The second chapter (2. Microcalorimeters and transfer standards) summarizes the development of microcalorimeters over the decades with special emphasis on the components of which the microcalorimeter consists of. Also, a review of the latest research in the field and a chronological path to the appearance of microcalorimeters with an interruption in the outer conductor of the adiabatic line is given. The third chapter (3. Smart Grid communication and energy harvesting) introduces Smart Grid communication and energy harvesting systems, where exists the application of microcalorimeters, with special reference to existing wireless communication networks and frequency bands. v In the fourth chapter (4. Definition of electrical power) the definition of electrical power is given according to the standard IEEE Std-2010. This standard describes the components of power and theoretical basis of power measurement. The fifth chapter (5. Precise measurement of power and RMS value of the AC signal) summarizes the measurement procedure for precise power measurement using thermal power detectors with special emphasis on the calibration procedure. Thermal converters and their possibilities for measuring power at high frequencies are also briefly described. Chapter 6 (6. Microcalorimetric Power Measurement at High Frequencies) describes the procedure for measuring the power at high frequencies using a microcalorimeter. This chapter is the most important chapter of the doctoral thesis because it presents: simulation results of the adiabatic line, a prototype of the developed device and electrical and thermal characterization of the adiabatic line. Also, thermal detector is described which is used in prototype as well as a double metal thermostat housing. In addition to the above, a description of the thermal characterization and temperature regulation of the thermostat. In the seventh Chapter (7. Balancing of the bridge circuit) describes the process of balancing the bridge connection and the acquisition of measurement data by digital multimeters with a resolution of 8 ½ digital with synchronization and control through the LabVIEW system. The eight chapter are conclusions.

• Keywords: mikrokalorimetar; adijabatska linija; gubici snage; toplinski prijenos; bolometarsko mjerenje
• Keywords (english): microcalorimeter; adiabatic line; power losses; heat transfer; bolometric measurements
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:759034
• Promotion: 2022
• Study programme: Title: Doctoral study programme "Electrical Engineering and Computing"; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, po-dručje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, po-dručje tehničkih znanosti)
• Type of resource: Text
• Extent: xii, 112 str. : graf. prikazi ; 30 cm.
• File origin: Born digital
• Access conditions: Access restricted to students and staff of home institution
• Created on: 2022-07-07 07:40:57